專利名稱：利用臭氧化學發(fā)光光譜分析水體有機物種類的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境化學監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是利用臭氧氧化化學發(fā)光光譜圖與水體中有機物本身具有的“特征光譜”的光學特性-即與臭氧氧化過程中產(chǎn)生的化學發(fā)光光譜在不同的波段上進行比對，分析水體中有機物的種類，同時根據(jù)光譜強度計算有機物濃度的方法。
背景技術(shù)：
水體中有機物有1000多種，其中有機污染物大約有100多種，環(huán)境監(jiān)測過程中對其進行分別測量，幾乎是不可能的事情，但是為了反映有機污染物濃度情況，目前國內(nèi)主要通過測量總量的方式，例如水體化學耗氧量(COD)或者總有機碳的方式(TOC)，但是對于水體環(huán)境中具體的有機物種類的分別無能為力。實驗室測試要需要大型分析儀器，分析時間長，分析過程繁雜，條件苛刻、試劑消耗量大、產(chǎn)生二次污染等，對于復雜多變的水體環(huán)境，即有機物結(jié)構(gòu)和濃度受時空影響大，多數(shù)又處于相互關(guān)聯(lián)、相互影響的狀態(tài)；水體環(huán)境的溫度和壓力變化大；對于海水高濃度離子，如氯離子，含量相對穩(wěn)定等因素，其結(jié)果的準確性和可信性將受到質(zhì)疑。
上述方法不同程度存在著以下缺陷1、必須在實驗室中完成，應(yīng)用不能現(xiàn)場實時，范圍受到限制。2、分析持續(xù)時間長，至少需要幾天時間。3、分析過程繁雜，條件苛刻、能耗大，對實驗人員的技術(shù)水平要求高。4、必須使用化學試劑，產(chǎn)生二次污染，不利于環(huán)保。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種利用臭氧化學發(fā)光光譜分析水體有機物種類的方法，它可以解決已有技術(shù)存在的問題和不足，提出了一種現(xiàn)場分析測量方法，即利用臭氧氧化化學發(fā)光光譜分析水體中有機物的種類，并測量其濃度的方法。
為了達到解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明的方法步驟如下一種利用臭氧化學發(fā)光光譜分析水體有機物種類的方法，其特征在于本發(fā)明的方法步驟如下(1).利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，將其送入反應(yīng)室的臭氧氣室，經(jīng)氣體分散器進入反應(yīng)室內(nèi)；(2).被測水樣經(jīng)加溫裝置，升溫后，由水樣泵輸入反應(yīng)室；(3).臭氧連續(xù)通入，與水樣在反應(yīng)室進行混合，臭氧與水樣中有機物進行反應(yīng)，產(chǎn)生化學發(fā)光信號；(4).利用光譜分光器件-光柵進行空間分光，色散后在其探測窗口形成λ1-λ2的光譜帶；(5)位于探測窗口處的CCD光電探測器同時采集λ1-λ2的光譜數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)變和時間序列積分得到波長-光強二維光譜；(6)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)經(jīng)過計算分析有機物的種類以及其濃度。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征通過時間序列積分處理后得到有機污染物發(fā)光的全譜，經(jīng)軟件對全譜進行分析得到水體中有機污染物的種類，經(jīng)標定后得到其濃度。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征水樣經(jīng)過加溫，溫度范圍為40±5℃，水樣注滿后，停止注入。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征所述的臭氧流量為100-200ml/min，濃度為2-4mg/l，并且是連續(xù)通入。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征所述的氣體分散器用多孔材料-特氟隆，使臭氧氣體從多孔材料表面的微孔中冒出，混合到周圍的被測水樣中。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征采用分光系統(tǒng)對化學發(fā)光進行分光，采用英國安道爾SR163i Spectrograph。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征CCD探測元件采用英國安道爾DV420-BU2 model。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征對反應(yīng)室光學密封的措施進出水口的管路外層纏上防水黑色絕緣膠帶，需透氣的地方采取多層隔光結(jié)構(gòu)，從而使反應(yīng)在黑暗的環(huán)境中進行，達到反應(yīng)室的光學密封。
在本發(fā)明中，還具有以下技術(shù)特征微型計算機數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，通過軟件編程實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和光譜信號分析處理。
水體中有機污染物的種類，可以分為含氮有機化合物、含硫有機化合物、有機鹵化物和碳氫化合物，碳氫化合物又包括烯烴和芳香烴化合物等，當水體與臭氧進行反應(yīng)時，反應(yīng)過程中產(chǎn)生化學發(fā)光，其中對于含氮有機物(亞硝基化合和硝基化合物)，在適合的環(huán)境條件下與臭氧氧化作用時化學發(fā)光波長為800nm-900nm。
有機硫化物(硫醚、硫醇、亞砜)及硫化氫與臭氧作用時，化學發(fā)光波長波長在280nm-390nm之間，最大發(fā)光波長在350nm，384nm。
含磷化合物與臭氧作用時，化學發(fā)光波長在500nm-550nm之間，最大發(fā)光波長在526nm。
碳氫化合物中烯烴類與臭氧作用時，化學發(fā)光波長700nm-800nm和500-570nm之間，芳香烴類化合物與臭氧反應(yīng)時發(fā)光波長250nm-350nm之間。
有機鹵化物化學發(fā)光較弱，與臭氧反應(yīng)時化學發(fā)光波長在580nm左右。
根據(jù)上述反應(yīng)原理可知，水體有機污染物與臭氧發(fā)生反應(yīng)的過程當中，都會發(fā)出“特征光譜”。在適當條件下，通過分光系統(tǒng)得到以波長為橫坐標和以光譜序列為縱坐標的平面色散圖，再通過CCD探測元件，以光譜直讀方式一次得到全譜，經(jīng)軟件對全譜進行分析可以得到水體中有機污染物的種類，經(jīng)標定后還可以得到其濃度。
CCD(Charge Coupled Devices)即電荷耦合陣列檢測器，是一種以電荷量表示光強大小，用藕合方式傳輸電荷量的器件，它具有自掃描、光譜范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點。將CCD二維線陣放在光譜面上，一次曝光就可獲得整個光譜.它具有的特點1.光譜范圍寬，量子效率高(可達90％以上)，暗電流小，噪聲低，可實現(xiàn)多道同時采集數(shù)據(jù)，它的結(jié)構(gòu)特點，可作為光譜分析儀中的全譜直讀探測元件，同時采集數(shù)據(jù)，獲得波長—強度二維譜圖。
2.通過時間序列積分可以探測非常微弱的光譜信號。獲取時間分辨的光譜信號，進而實現(xiàn)光譜的快速分析。通過與臭氧氧化化學發(fā)光裝置結(jié)合CCD探測元件可以對化學發(fā)光信號進行采集，時間序列積分后，可獲得光譜強度隨波長變化的二維光譜圖，通過處理軟件可以分析有機物的種類同時測定其濃度。
CCD探測元件優(yōu)點是所有的像元(N個)同時曝光，整個光譜可同時取得，比一般的單通道光譜系統(tǒng)檢測同一段光譜的總時間快N倍，在攝取整個光譜的過程中不需要光譜儀進行機械掃描，不存在由于機械系統(tǒng)引起的波長不重復的誤差；減少了光源強度不穩(wěn)定引起的譜線相對強度誤差；可測量光譜變化的動態(tài)過程。
整個系統(tǒng)是光、機、電、算一體化的光電探測系統(tǒng)。按工作模塊可分成六部分第一部分是化學發(fā)光，主要是臭氧與水體中有機污染物進行反應(yīng)，反應(yīng)過程中產(chǎn)生化學發(fā)光現(xiàn)象；第二部分是光學分光部分，主要通過分光器件將化學發(fā)光在空間上分離開，遵循光色散原理；第三部分是光電轉(zhuǎn)換和放大部分，以光電效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，將空間上分開的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，我們主要采用CCD探測元件；第四部分是數(shù)據(jù)采集、記錄部分，該部分完成電信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲第五部分是控制部分，主要負責光電信號采集過程中的時序控制；第六部分是軟件處理部分，主要負責得到光譜的分析和計算。
通過集成化學發(fā)光、分光系統(tǒng)、CCD檢測元件對水體有機物種類進行實時定性、定量分析的方法是目前非常有效的水體有機污染物分析手段，是重要的發(fā)展方向。
本發(fā)明利用臭氧氧化化學發(fā)光光譜分析有機污染物的種類并測量其濃度的方法，是目前環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，它是應(yīng)用化學發(fā)光、CCD全譜直讀原理，化學發(fā)光信號包含有機污染物“特征光譜”信息，經(jīng)過分光系統(tǒng)分光后，導入CCD探測元件，光信號經(jīng)光電探測處理轉(zhuǎn)換為電信號輸出，輸出電信號經(jīng)微弱信號放大電路進行轉(zhuǎn)換，放大到一定電壓幅度送數(shù)據(jù)處理部分的A/D轉(zhuǎn)換通道進行量化，時間序列積分處理后得到全譜。
通過時間序列積分處理后得到有機污染物發(fā)光的全譜，根據(jù)有機污染物的“特征光譜”，經(jīng)軟件對全譜進行分析得到水體中有機污染物的種類，經(jīng)標定后得到其濃度。
經(jīng)實驗室標定和現(xiàn)場測試等措施，來獲取不同水體的信號修正系數(shù)，建立修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)信號時間序列積分譜圖和有機污染物的對應(yīng)關(guān)系，即可測出被測水樣的有機污染物的濃度。
所述的臭氧發(fā)生裝置，是將空氣經(jīng)過濾干燥后被高壓擊發(fā)，產(chǎn)生高濃度臭氧。
本發(fā)明利用臭氧氧化化學發(fā)光光譜分析有機污染物的種類并測量其濃度的方法，不需添加試劑，不產(chǎn)生二次污染，能夠準確、連續(xù)、快速的分析測試水體中有機物染物的種類并計算出其含量，可在惡劣的環(huán)境中長期可靠工作。


圖1是本發(fā)明的方法系統(tǒng)控制圖；圖2是本發(fā)明方法系統(tǒng)流程圖；圖3是反應(yīng)室以及光譜探測系統(tǒng)示意圖。
1.控制部分；2.光譜探測部分(CCD)；3.探測窗口；4.水、氣出口；5.氣體收集容器；6.反應(yīng)室；7.水樣入口；8.水樣泵；9.氣泵；10.臭氧入口；11.臭氧氣室；12.氣體分散器；13.數(shù)據(jù)處理部分；14.臭氧發(fā)生器。
具體實施例方式
參見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明的方法步驟如下(1).利用臭氧發(fā)生器14產(chǎn)生臭氧，通過氣泵9將其送入反應(yīng)室的臭氧氣室11，經(jīng)氣體分散器12進入反應(yīng)室6內(nèi)；(2).被測水樣經(jīng)加溫裝置，升溫后，由水樣泵8輸入反應(yīng)室6，溫度范圍為40±5℃，水樣注滿后，停止注入；(3).臭氧連續(xù)通入，與水樣在反應(yīng)室6進行混合，臭氧與水樣中有機物進行反應(yīng)，產(chǎn)生化學發(fā)光信號；(4).利用光譜分光器件-光柵進行空間分光，色散后在其探測窗口3形成λ1-λ2的光譜帶；(5).位于探測窗口處的CCD光電探測器同時采集λ1-λ2的光譜數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)變和時間序列積分得到波長-光強二維光譜；(6).數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)經(jīng)過計算分析有機物的種類以及其濃度。
所述方法的臭氧流量為100-200ml/min，濃度為2-4mg/l，并且是連續(xù)通入。
所述方法的氣體分散器12用多孔材料-特氟隆，使臭氧氣體從多孔材料表面的微孔中冒出，混合到周圍的被測水樣中。
所述方法采用分光系統(tǒng)對化學發(fā)光進行空間分光，采用英國安道爾SR163i Spectrograph。
所述方法的CCD探測元件2采用英國安道爾DV420-BU2 model。
所述方法的反應(yīng)室6光學密封的措施進出水口的管路外層纏上防水黑色絕緣膠帶，需透氣的地方采取多層隔光結(jié)構(gòu)，從而使反應(yīng)在黑暗的環(huán)境中進行，達到反應(yīng)室6的光學密封。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用臭氧化學發(fā)光光譜分析水體有機物種類的方法，其特征在于本發(fā)明的方法步驟如下(1).利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，將其送入反應(yīng)室的臭氧氣室，經(jīng)氣體分散器進入水樣反應(yīng)室內(nèi)；(2).被測水樣經(jīng)加溫裝置，升溫后，由水樣泵輸入反應(yīng)室；(3).臭氧連續(xù)通入，與水樣在反應(yīng)室進行混合，臭氧與水樣中有機物進行反應(yīng)，產(chǎn)生化學發(fā)光信號；(4).利用光譜分光器件-光柵進行空間分光，色散后在其探測窗口形成λ1-λ2的光譜帶；(5).位于探測窗口處的CCD光電探測器同時采集λ1-λ2的光譜數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)變和時間序列積分得到波長-光強二維光譜；(6).數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)經(jīng)過計算分析有機物的種類以及其濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過時間序列積分處理后得到有機污染物發(fā)光的全譜，經(jīng)軟件對全譜進行分析得到水體中有機污染物的種類，經(jīng)標定后得到其濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于水樣經(jīng)過加溫，溫度范圍為40±5℃，水樣注滿后，停止注入。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的臭氧流量為100-200ml/min，濃度為2-4mg/l，并且是連續(xù)通入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的氣體分散器用多孔材料-特氟隆，使臭氧氣體從多孔材料表面的微孔中冒出，混合到周圍的被測水樣中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于采用分光系統(tǒng)對化學發(fā)光進行分光，采用英國安道爾SR163i Spectrograph。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于CCD探測元件采用英國安道爾DV420-BU2model。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于對反應(yīng)室光學密封的措施進出水口的管路外層纏上防水黑色絕緣膠帶，需透氣的地方采取多層隔光結(jié)構(gòu)，從而使反應(yīng)在黑暗的環(huán)境中進行，達到反應(yīng)室的光學密封。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于微型計算機數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，通過軟件編程實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和光譜信號分析處理。
全文摘要
本發(fā)明利用臭氧氧化化學發(fā)光光譜分析有機污染物的種類并測量其濃度的方法，它是應(yīng)用化學發(fā)光、CCD全譜直讀原理，化學發(fā)光信號包含有機污染物“特征光譜”信息，經(jīng)過分光系統(tǒng)分光后，導入CCD探測元件，光信號經(jīng)光電探測處理轉(zhuǎn)換為電信號輸出，輸出電信號經(jīng)微弱信號放大電路進行轉(zhuǎn)換，放大到一定電壓幅度送數(shù)據(jù)處理部分的A/D轉(zhuǎn)換通道進行量化，時間序列積分處理后得到全譜，經(jīng)軟件對全譜進行分析得到水體中有機污染物的種類，經(jīng)標定后得到其濃度。
文檔編號G01N31/00GK1865940SQ20061004475
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉巖, 侯廣利, 孫繼昌, 杜立彬, 高楊, 徐珊珊, 程巖, 張穎 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所